DE10142645A1

DE10142645A1 - Material für Ventilführungen

Info

Publication number: DE10142645A1
Application number: DE10142645A
Authority: DE
Inventors: Katsunao Chikahata; Koichiro Hayashi
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2021-09-01
Also published as: DE10142645B4; GB2368348B; US6616726B2; KR20020018152A; KR100420264B1; GB0120946D0; GB2368348A; US20020023518A1; FR2813317A1; FR2813317B1

Abstract

Es wird ein Sinterlegierungsmaterial für Ventilführungen offenbart, das umfasst: 1.5 bis 4 Massen-% Kohlenstoff; 1 bis 20 Massen-% Kupfer; 0,1 bis 2 Massen-% Zinn; 0,01 oder mehr als 0,01 Massen-% und weniger als 0,1 Massen-% Phosphor, und eine Basis aus Eisen. Die metallographische Struktur des Sinterlegierungsmaterials weist eine hauptsächlich aus Perlit bestehende Matrixphase und eine freie Kohlenstoffphase auf, die in der Matrixphase verteilt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sinterlegierungsmaterial mit hervorragender Verschleißfestigkeit und maschineller Bearbeitbarkeit, insbesondere ein Sinterlegierungsmaterial, das eine ausgenommen gute maschinelle Bearbeitbarkeit aufweist und das als Ventilführung für Verbrennungsmotoren und deren Herstellung geeignet ist.

Für Ventilführungen von Verbrennungsmotoren kann spezielles Gusseisen wie Grauguss oder Borgusseisen verwendet werden. Jedoch bestehen im Fall von Gusseisen Probleme bezüglich der Arbeitsatmosphäre, der Massenfertigbarkeit und dem Preis, weshalb es in zunehmendem Maße durch eine Sinterlegierung ersetzt wird. Im allgemeinen weist eine Sinterlegierung mangelhafte Verschleißfestigkeit auf, weshalb eine Verbesserung erforderlich ist. Wenn ein Legierungsbestandteil zur Verstärkung des Materials beigemischt wird, erreicht die Verschleißfestigkeit einen praktikablen Grad, wohingegen sich die maschinelle Bearbeitbarkeit in vielen Fällen verschlechtert. Die Ventilführung ist an einem Zylinderkopf des Motors angebracht und wird vor praktischem Gebrauch einer Oberflächenbehandlung des Innenlochs durch Schlichten unterzogen. Wenn also die Ventilführung schlechte maschinelle Bearbeitbarkeit aufweist, wird möglicherweise ein höherer Zeitaufwand für das Schlichten notwendig, der Verschleiß der Reibahle kann frühzeitig erfolgen und die Effizienz der Produktion vermindern.

Das Material für Ventilführungen, das zuvor vom Anmelder der vorliegenden Erfindung im Bemühen entwickelt wurde, sowohl Verschleißfestigkeit als auch maschinelle Bearbeitbarkeit zu erzielen (siehe Veröffentlichung der japanische Patentanmeldung (JP-B) No. 55-34858), ist eine Sinterlegierung mit einer Zusammensetzung von 1,5 bis 4 Massen-% Kohlenstoff, 1 bis 5 Massen-% Kupfer, 0,1 bis 2 Massen-% Zinn und 0,1 bis 0,3 Massen-% Phosphor und dem Rest Eisen. Dieses Material für Ventilführungen ist bezüglich seiner Verschleißfestigkeit Borgusseisen überlegen und es ist auch im Hinblick auf maschinelle Bearbeitbarkeit konventionellen Sintermaterialien überlegen, obwohl es schwerer zu bearbeiten ist als gusseiserne Materialien. Daher ist es sehr stark von Automobilherstellern verwendet worden. Aufgrund der jüngsten Entwicklungen auf diesem Gebiet besteht jedoch steigende Nachfrage nach Verbesserung von Qualität und auch Produktivität, und dementsprechend entstand bezüglich des Materials für Ventilführungen auch Bedarf an einem noch besseren bearbeitbaren Material.

Die vorliegende Erfindung wurde vor dem oben beschriebenen Hintergrund geschaffen, und es ist daher Ziel der Erfindung, ein Sinterlegierungsmaterial für Ventilführungen bereitzustellen, das sowohl Verschleißfestigkeit als auch maschinelle Bearbeitbarkeit aufweist.

Um obiges Ziel zu erreichen, umfasst das Sinterlegierungsmaterial für Ventilführungen erfindungsgemäß: 1,5 bis 4 Massen-% Kohlenstoff, 1 bis 20 Massen-% Kupfer, 0,1 bis 2 Massen-% Zinn, und 0,01 oder mehr als 0,01 und weniger als 0,1 Massen-% Phosphor und Eisen als Basis, und weist eine metallographische Struktur auf, die eine Perlit umfassende Matrixphase und eine freie Kohlenstoffphase umfasst, die in der Matrixphase verteilt ist.

Die Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Sinterlegierungsmaterials für Ventilführungen werden verständlicher aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen

Fig. 1 einen Graphen darstellt, der den Zusammenhang zwischen Phosphorgehalt eines Sinterlegierungsmaterials und seiner maschinellen Bearbeitbarkeit zeigt;

Fig. 2 einen Graphen darstellt, der den Zusammenhang zwischen Phosphorgehalt eines Sinterlegierungsmaterials und seiner Verschleißfestigkeit zeigt;

Fig. 3 einen Graphen darstellt, der den Zusammenhang zwischen Kupfergehalt eines Sinterlegierungsmaterials und seiner maschinellen Bearbeitbarkeit zeigt; und

Fig. 4 einen Graphen darstellt, der den Zusammenhang zwischen Kupfergehalt eines Sinterlegierungsmaterials und seiner Verschleißfestigkeit zeigt.

Ausgehend von konventionellem Material für Ventilführungen haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung dessen Verbesserung angestrebt und sind zu den folgenden Ergebnissen gelangt:

1. Bei Verringerung des Phosphorgehalts wird eine beim Sintern zu präzipitierende ternäre Fe-P-C Legierungsphase verringert, und gleichzeitig wird der freie Graphitgehalt erhöht, um die maschinelle Bearbeitbarkeit zu verbessern;
2. Bei einer Erhöhung des Kupfergehalts bei gleichzeitiger Verringerung des Phosphorgehalts wird die maschinelle Bearbeitbarkeit deutlich verbessert.

Die vorliegende Erfindung konnte aufgrund dieser Ergebnisse erzielt werden, und das Wesentliche der Erfindung besteht darin, dass der Phosphorgehalt auf einen Bereich von 0,01 bis 0,1 Massen-% eingeschränkt wird ("%" bezieht sich nachfolgend auf Massenprozent, falls nicht anders angegeben).

Zusätzlich zur obigen Beschränkung des Phosphorgehalts ist ein Kupfergehalt im Bereich von 6 bis 20 Massen-% oder eine Aufnahme von Enstatit (MgSiO₃) und/oder Mangansulfid (MnS) in einer Menge von weniger als insgesamt 4% wirksamer.

In Übereinstimmung mit obiger Beschreibung ist das Material für Ventilführungen gemäß einer ersten Ausführungsform eine Sinterlegierung mit einer Zusammensetzung, die in Massenanteilen umfasst: 1,5 bis 4% Kohlenstoff, 1 bis 20% Kupfer, 0,1 bis 2% Zinn und 0,01 bis 0,1% Phosphor und den Restanteil Eisen, und deren metallographische Struktur sich in einem Zustand befindet, bei der freies Graphit in der Matrix, deren Hauptkomponente Perlit ist, verteilt ist.

Im Falle einer Zugabe von Enstatit und Mangansulfid umfasst die Zusammensetzung des Legierungsmaterials für Ventilführungen 1,5 bis 4% Kohlenstoff, 1 bis 20% Kupfer, 0,1 bis 2% Zinn, 0,01 bis 0,1% Phosphor, und weniger als 4% Enstatit und Mangansulfid insgesamt, wobei der Restanteil Eisen ist, und deren metallographische Struktur sich in einem Zustand befindet, der freies Graphit, Enstatit und Mangansulfid enthält, die in einer hauptsächlich aus Perlit bestehenden Matrix verteilt sind.

Es ist anerkannt, dass in der Matrixphase dieser Legierungen entsprechend dem Phosphorgehalt eine Eisen- Phosphor-Kohlenstoff(Fe-P-C)-Legierungs-Phase erzeugt wird. Im Falle eines Materials mit einem großen Anteil von Kupfer oder Zinn wird eine Kupfer-Zinn-(Cu-Sn) Legierungs-Phase erzeugt, und die Kupfer-Zinn-Legierung und/oder Kupferphase, den Umständen gemäß, werden in der hauptsächlich aus Perlit bestehenden Matrixphase verteilt.

Dementsprechend kann die hauptsächlich aus Perlit bestehende Matrixphase sich auch in einem oben beschriebenen Zustand befinden.

In der erfindungsgemäßen Sinterlegierung wird Kohlenstoff in Form von Graphitpulver zugesetzt, und ein Teil des Kohlenstoffs (im allgemeinen 0,8 bis 1%) bildet eine feste Lösung mit Eisen, um die Matrix zu verstärken, oder vereinigt sich mit Phosphor, um eine relativ steife, aus Partikeln bestehende Fe-P-C Legierungsphase (Steaditphase (steadite phase)) zu erzeugen, die in der Matrixphase verteilt ist. Der andere Teil des Kohlenstoffs verbleibt in Form von freiem Kohlenstoff (Graphit), um als Festschmierstoff zu wirken. Die Menge an freiem Graphit beträgt ungefähr 0,3% im Falle eines 1,5% Gesamtkohlenstoffgehalts, und etwa 1,7% im Falle eines 3% Gesamtkohlenstoffgehalts. Wenn die Menge an freiem Graphit weniger als 0,3% beträgt, wird der Abrieb der Ventilführung durch das Gleiten auf dem Ventil vergrößert. Entsprechend soll die Untergrenze des Gesamtkohlenstoffgehaltes bei 1,5% liegen. Wenn auf der anderen Seite Kohlenstoff im Überschuss vorhanden ist, verursacht der überschüssige Kohlenstoff eine Verringerung der Stärke der Matrix. Auch bei der Bildung eines Pulverpresslings verursacht er Segregation und verschlechtert die Fluidität. Folglich wird die obere Grenze des Kohlenstoffgehalts zu 4% bestimmt.

Kupfer und Zinn werden gewöhnlich in Form eines Kupfer- Zinn-Legierungspulvers mit einem Zinngehalt von etwa 5 bis 20 zugesetzt, und es ist wahlweise möglich, eine zuvor bestimmte Menge eines Kupferpulver oder eines Zinnpulvers als Zusatz zuzufügen. Es ist natürlich möglich, nur einfache Pulver für diese Komponenten zu verwenden. Beide dieser Elemente fördern das Sintern, um eine feste Lösung, die die Matrix verstärkt, zu bilden, während ein Teil des Materials für diese Elemente als Kupfer-Zinn-Legierungsphase verbleibt, um die Gleiteigenschaften und maschinelle Bearbeitbarkeit zu verbessern. Eine solche Wirkung tritt auf, wenn der Kupfergehalt 1% oder größer ist und der Zinngehalt 0,1% oder größer ist, wenn aber diese Elemente im Überschuss zugefügt werden, wird die Abmessungsgenauigkeit des Produktes aufgrund von grobem Kupfer (gross copper) zum Zeitpunkt des Sinterns verschlechtert. Wenn in diesem Zusammenhang eine Kupferphase zusammen mit der Kupfer-Zinn-Legierungsphase verteilt wird, wird diese Wirkung weiterhin verstärkt und der Effekt wird signifikant, wenn der Kupfergehalt 6% oder mehr beträgt. Wenn der Kupfergehalt jedoch 20% übersteigt, wird die Verschleißfestigkeit verschlechtert, und somit liegt ein geeigneter Bereich des Kupfergehalts bei 6 bis 20%.

Außerdem macht Zinn die Matrix spröde, und daher ist der Zinngehalt auf den Bereich von 0,1 bis 2% beschränkt.

Phosphor kann in Form von einem Eisen-Phosphor- Legierungspulver oder als Kupfer-Phosphor-Legierungspulver zugesetzt werden. Entsprechend der Erhöhung des Phosphorgehalts wird die zu erzeugende Steaditphase vergrößert. Damit einhergehend wird die Steifheit des Basismaterials gesteigert und seine Verschleißfestigkeit wird erhöht, wohingegen seine maschinelle Bearbeitbarkeit erniedrigt wird. Dementsprechend ist der Phosphorgehalt auf weniger als 0,1% (aber 0,01% und mehr) beschränkt, um den freien Graphitanteil zu erhöhen und die maschinelle Bearbeitbarkeit zu verbessern. Mit abnehmender Phosphormenge wird die Verschleißfestigkeit erniedrigt, sie liegt aber immer noch auf einem signifikant höheren Niveau als diejenige von Grauguss. Insbesondere wenn der Kupfergehalt 5 bis 20% beträgt, beträgt die Abnutzungsmenge der resultierenden Legierung 1/3 oder weniger des Verlustes von Grauguss.

Enstatit ist ein Magnesiummetasilikat-Mineral in Form von rhombischen Partikeln, die eine Spaltungsfläche aufweisen. Es ist dem freien Graphit insofern ähnlich, als dass es als Festschmierstoff (solid lubricant) dient und gleichzeitig auch die maschinelle Bearbeitbarkeit verbessert. Mangansulfid verhält sich ähnlich, hat aber darüber hinaus die Wirkung, die Verschleißfestigkeit der Matrix zu verbessern. Beide dieser Komponenten werden in Pulverform zugesetzt. Enstatit und Mangansulfid (bevorzugt in einer Menge von 20 bis 30% der Menge an Enstatit) können vermischt und verwendet werden, um die Verschleißfestigkeit und maschinelle Bearbeitbarkeit unter Erhalt eines guten Gleichgewichts derer weiter zu verbessern.

Diese Festschmierstoffe, freier Graphit eingeschlossen, werden in der Matrix verteilt, um den Effekt eines Festschmierstoffs aufzuweisen, aber bei einer Steigerung der Menge des darin enthaltenen (verteilten) Festschmierstoffe wird die Festigkeit des Materials verringert. Wenn ihre Menge 4% übersteigt, ist es schwierig, die Festigkeit des Materials, die für ein Ventilführungsmaterial notwendig ist, aufrechtzuerhalten, und somit liegt die Gesamtmenge der Festschmierstoffe (freies Graphit, Enstatit und Mangansulfid) wünschenswerterweise bei 4% oder weniger in der Erfindung. Das bedeutet, dass zum Beispiel, wenn die Gesamtmenge an Kohlenstoff 1,5% beträgt und die Menge an freiem Graphit 0,7% beträgt, Enstatit und Mangansulfid in einer Gesamtmenge von maximal 3, 3% enthalten sein dürfen.

Die Ventilführung kann hergestellt werden durch:
Herstellen eines Pulvergemisches durch Mischen der Rohmaterialien für die entsprechenden Komponenten wie oben beschrieben; Pressen des Pulvergemisches in eine Modellform, um einen Grünling für die Ventilführung auszubilden; und
Sintern des Presslings, unter Verwendung von konventionellen Methoden der Pulvermetallurgie. Vorliegend ist die Sinteratmosphäre bevorzugt eine reduzierende oder karbonisierenden Atmosphäre, und die Sintertemperatur beträgt bevorzugt 980 bis 1100°C, da übermäßig hohe Temperaturen ein Verschwinden des Graphits verursachen.

Bei der Herstellung des Sinterlegierungswerkstoffs für Ventilführungen ist es selbstverständlich auch möglich, einen Schmierstoff wie Zinkstearat oder ähnliches dem Pulvergemisch zuzusetzen, um die Verdichtbarkeit des Pulvergemischs und die Leichtigkeit des Ablösens des gesinterten Produktes von der Modellform zu verbessern. Außerdem sei angemerkt, dass unvermeidbare Mengen an Metallverunreinigungen im Material für Ventilführungen der Erfindung erlaubt sind.

Beispiel 1

Zunächst wurden die folgenden Ausgangsmaterialien bereitgestellt: natürliches Graphitpulver als Material für Kohlenstoff, ein Cu-10% Sn Legierungspulver für Zinn, ein Fe- 20% P Legierungspulver für Phosphor, ein reduziertes Eisenpulver für Eisen, und Zinkstearat als Pulverschmierstoff. Dann wurden diese Ausgangsmaterialien gemischt, um verschiedene Arten von Pulvergemischen herzustellen, von denen jedes 2% Kohlenstoff, 1% Kupfer (und damit 0,11% Zinn) oder 5% Kupfer (und damit 0,55% Zinn), 0,01 bis 0,3% Phosphor in der Gesamtzusammensetzung and der Restmenge Eisen enthält. Zusätzlich wird Zinkstearat in einem Verhältnis von 0,75 Massen-% zur Gesamtmenge des obigen Pulvergemischs beigemischt.

Jede Sorte der Pulvergemische wurde in eine zuvor bestimmte Gestalt von Presslingen unter einem Verdichtungsdruck von 490 MPa gepresst und in einer reduzierenden Gasatmosphäre bei 1000°C für 60 Minuten gesintert, um eine große Zahl zylindrischer Proben mit 40 mm Länge, 12 mm Außendurchmesser und 7,4 mm Innendurchmesser herzustellen. In jeder Art von Probe besaß die metallographische Struktur des gesinterten Materials eine dichte Perlit-Matrix, worin rötliche Cu-Sn Legierungspartikel verteilt waren. In denjenigen Proben mit einem höheren Phosphorgehalt waren eine große Zahl von Partikeln der weißlichen Fe-P-C Legierungsphase (Steaditphase) darin verstreut, wohingegen in denjenigen Proben mit einem niedrigeren Phosphorgehalt solche Spots vermindert waren. Außerdem wurden die Probe mit höherem Phosphorgehalt (0,3%) und die Probe mit niedrigerem Phosphorgehalt (0,03%) miteinander verglichen, indem jede Probe zu Pulver zerteilt und in Säure aufgelöst wurde, und die in der Säure unlöslichen Rückstände einer Messung des freien Graphitgehalts unterzogen wurden. Die Ergebnisse wiesen darauf hin, dass der Gehalt an freiem Graphit in letzterer Probe (0,03% P) um etwa 0,2 bis 0,3% höher war als in der ersten Probe (0,3% P).

Als nächstes wurde jede so erhaltene Probe auf maschinelle Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit untersucht. Die maschinelle Bearbeitbarkeit von jeder Probe wurde bestimmt durch: Unterziehen des Innenlochs eines Schlichtens; Messung der zum Fortschreiten des Schlichtens um 10 mm in axialer Position notwendigen Zeit; und Konvertierung der gemessenen Zeit in einen Index relativ zu dem (= 100) des Materials, das 5% Kupfer und 0,3% Phosphor umfasst, was dem konventionellen Werkstoff entspricht. Dementsprechend bedeutet ein kleinerer Index, dass die Probe leicht maschinell bearbeitet werden kann, um die Schlichtungszeit zu verkürzen, d. h. sie weist gute maschinelle Bearbeitbarkeit auf. Die Verschleißfestigkeit jeder Probe wurde bestimmt durch: Formen der Probe in eine Ventilführung, die eine zuvor bestimmte Form und Abmessung aufweist; Anbringen der Ventilführung an der Versuchs-Motoren-Einheit; Gestatten eines Ventils, dem eine radiale Belastung aufgegeben wird, sich in der Ventilführung unter Wärme für eine bestimmte Zeit hin- und herzubewegen; und Bestimmen der Veränderung (Abnutzungsmenge) der Abmessung der Innenbohrung der Probe vor und nach dem Test.

Fig. 1 und 2 stellen Graphen dar, in denen die obigen Daten aufgetragen wurden, und Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Phosphorgehalt und der maschinellen Bearbeitbarkeit, und Fig. 2 zeigt den Phosphorgehalt und die Verschleißfestigkeit. Aus diesen Graphen kann folgendes abgelesen werden: Hinsichtlich des Einflusses von Kupfer wird die Probe sowohl in bezug auf maschinelle Bearbeitbarkeit als auch Verschleißfestigkeit bei einem höheren Kupfergehalt im Bereich von 1 bis 5% Kupfer, ungeachtet des Phosphorgehalts, überlegen; und hinsichtlich des Einflusses von Phosphor wird die maschinelle Bearbeitbarkeit fast linear mit abnehmendem Phosphorgehalt, angefangen bei 0,3%, verbessert, und dieser Trend setzt sich sogar unter 0,1% Phosphor oder unter der Untergrenze im konventionellen Material fort. Dementsprechend ist eine Beschränkung des Phosphorgehalts auf weniger als 0,1% von großer Bedeutung zur Verbesserung der maschinellen Bearbeitbarkeit. Obwohl die Abnutzungsmenge geringfügig höher als die des konventionellen Materials ist, liegt weiterhin als Folge der Begrenzung des Phosphorgehalts die Abnutzung von 80 µm der Probe mit 1% Kupfer und 0,05% Phosphor dennoch immer noch in einem praktisch zulässigen Bereich. Und sie ist auch der Abnutzungsmenge von 170 µm einer Ventilführung aus Grauguss unter den gleichen Testbedingungen deutlich überlegen.

Beispiel 2

Die Ausgangsmaterialien, die in Beispiel 1 bereitgestellt wurden, wurden dazu benutzt, ein Pulvergemisch herzustellen, das 2% natürliches Graphitpulver, 5% eines Cu-10% Sn Legierungspulvers, 0,25% eines Fe-20% P Legierungspulvers, 0,8% Enstatitpulver und 0,2% Mangansulfidpulver und den Restanteil bestehend aus reduziertem Eisenpulver einschließt. Die Gesamtzusammensetzung enthielt 2% C, 4,5% Cu, 0,5% Zinn, 0,05% P, Enstatit und Mangansulfid, und den Restanteil Eisen. Zum Vergleich wurde ein Pulvergemisch mit der gleichen Zusammensetzung wie oben hergestellt, außer das Enstatit und Mangansulfid nicht zugesetzt wurden. In jedes der Pulvergemische wurden zusätzlich 0,75% Zinkstearat auf die Menge des Pulvergemisches eingemischt.

Dann wurden diese beiden Pulvergemische einem Verdichten und Sintern unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterzogen, und es wurden die maschinelle Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit der resultierenden Proben untersucht. Als Resultat geht hervor, dass die Daten zur ersten, Enstatit und Mangansulfid enthaltenden Probe einen Index der maschinellen Bearbeitbarkeit von 23 und eine Verschleißfestigkeit von 50 µm ergeben. Im Gegensatz dazu zeigen die Daten zur zweiten Probe einen Index der maschinellen Bearbeitbarkeit von 25 und eine Verschleißfestigkeit von 55 µm. Diese Ergebnisse zeigen an, dass die erste Probe der zweiten sowohl in bezug auf maschinelle Bearbeitbarkeit als auch Verschleißfestigkeit überlegen ist. Im Hinblick auf die metallographische Struktur beider Proben weist die erste freies Graphit, Enstatit und Mangansulfid darin als Schmierstoff in der Matrixphase verteilt auf, wohingegen die zweite nur freies Graphit darin verteilt aufweist, und dieser Unterschied wird als den Unterschieden in ihren Charakteristika zuordbar betrachtet.

Beispiel 3

Zunächst wurden die folgenden Ausgangsmaterialien bereitgestellt: natürliches Graphitpulver als Kohlenstoff; Fe-20% P Legierungspulver als Phosphor; Kupferpulver; Cu-10% Sn Legierungspulver als Kupfer und Zinn; reduziertes Eisenpulver als Eisen; und Zinkstearat als Pulverschmierstoff. Dann wurden diese Materialien in einem zuvor bestimmtem Verhältnis gemischt, um verschiedene Arten Pulvergemische herzustellen, die jeweils enthalten: 2% Kohlenstoff; jeweils 0,01%, 0,03%, 0,1% oder 0,3% Phosphor; 2 bis 30% Kupfer; 0,1 bis 2% Zinn; der Restanteil bestehend aus reduziertem Eisenpulver. Zusätzlich wurden 0,75% Zinkstearat zu der Menge des Pulvergemisches jedem der Pulvergemische zugemischt.

Jede Art der Pulvergemische wurde unter einem Verdichtungsdruck von 490 MPa in eine zuvor bestimmte Gestalt der Presslinge gepresst und in einer reduzierenden Gasatmosphäre bei 1000°C für 60 Minuten gesintert, um eine große Zahl zylindrischer Proben mit 40 mm Länge, 12 mm Außendurchmesser und 7,4 mm Innendurchmesser herzustellen. In jeder Probenart wies die metallographische Struktur des gesinterten Materials eine dichte Perlitmatrix auf, worin rötliche Cu-Sn Legierungspartikel verteilt waren. In denjenigen Proben mit hohem Kupferanteil waren außerdem Kupferpartikel darin verteilt. In denjenigen Proben mit einem höheren Phosphoranteil war eine große Zahl von Stellen aus weißlicher Fe-P-C Legierungsphase (Steadit) darin verstreut, wohingegen in denjenigen Proben mit niedrigerem Phosphorgehalt solche Spots verringert waren. Außerdem wurden die Probe mit einem höheren Phosphoranteil (0,3%) und die Probe mit einem niedrigeren Phosphoranteil (0,03%) miteinander verglichen, indem jede Probe zu Pulver zerteilt und in Säure aufgelöst wurde, und die in der Säure unlöslichen Rückstände einer Messung des freien Graphitgehalts unterzogen wurden. Die Ergebnisse wiesen darauf hin, dass der Gehalt an freiem Graphit in letzterer Probe (0,03% P) um etwa 0,2 bis 0,3% höher war als in der ersten Probe (0,3% P).

Als nächstes wurde jede so erhaltene Probe auf maschinelle Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit untersucht. Die maschinelle Bearbeitbarkeit von jeder Probe wurde bestimmt durch: Unterziehen des Innenlochs eines Schlichtens; Messung der zum Fortschreiten des Schlichtens um 10 mm in axialer Position notwendigen Zeit; und Konvertierung der gemessenen Zeit in einen Index relativ zu dem (= 100) des Materials, das 5% Kupfer und 0,3% Phosphor umfasst, was dem konventionellen Werkstoff entspricht. Dementsprechend bedeutet ein kleinerer Index, dass die Probe leicht maschinell bearbeitet werden kann, um die Schlichtungszeit zu verkürzen, d. h. sie weist gute maschinelle Bearbeitbarkeit auf. Die Verschleißfestigkeit jeder Probe wurde bestimmt durch: Formen der Probe in eine Ventilführung, die eine zuvor bestimmte Form und Abmessung aufweist; Anbringen der Ventilführung an der Versuchs-Motoren-Einheit; Gestatten eines Ventils, dem eine radiale Beladung aufgegeben wird, sich in der Ventilführung unter Wärme für eine bestimmte Zeit hin- und herzubewegen; und Bestimmen der Veränderung (Abnutzungsmenge) der Abmessung des Innenlochs der Probe vor und nach dem Test.

Fig. 3 und 4 stellen Graphen dar, in denen die obigen Daten für jeden Phosphorgehalt aufgetragen wurden. Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen Kupfergehalt und maschineller Bearbeitbarkeit und Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen Kupfergehalt und Verschleißfestigkeit. Aus diesen Graphen kann folgendes abgelesen werden: Hinsichtlich des Einfluss von Phosphor ist die Probe mit niedrigerem Phosphorgehalt bezüglich maschineller Bearbeitbarkeit überlegen und die Probe mit höherem Phosphorgehalt bezüglich Verschleißfestigkeit überlegen in einem Bereich von 0,01 bis 0,3% (Phosphor), ungeachtet des Kupfergehalts; und hinsichtlich des Einflusses von Kupfer wird die maschinelle Bearbeitbarkeit bei einem Kupfergehalt von etwa 5% oder mehr signifikant verbessert und bei einem Kupfergehalt von 10% oder mehr bis zu einem Gehalt von 30% geringfügig verbessert.

Auf der anderen Seite weist die Probe gute Verschleißfestigkeit bei einer kleineren Abnutzungsmenge im Bereich von 6 bis 20% Kupfer auf, allerdings ist die Abnutzungsmenge außerhalb dieses Bereiches erhöht. Insbesondere ist die Verschleißfestigkeit bei einem Kupfergehalt von 20% oder mehr signifikant verschlechtert, ungeachtet des Phosphorgehalts, während die Verschleißfestigkeit ebenfalls bei einem Kupfergehalt von weniger als 6% und niedrigerem Phosphorgehalt signifikant verschlechtert ist. Sogar in diesem Bereich der vorliegenden Erfindung ist die Abnutzungsmenge infolge der Beschränkung des Phosphorgehalts geringfügig höher als die des konventionellen Materials, aber die Abnutzungsmenge von 56 µm der Probe mit 6% Kupfer und 0,01% Phosphor liegt dennoch in einem praktisch zulässigen Bereich. Und sie ist der Abnutzungsmenge von 170 µm einer Ventilführung aus Grauguss unter den gleichen Testbedingungen signifikant überlegen.

Beispiel 4

Die in Beispiel 3 bereitgestellten Ausgangsmaterialien wurden verwendet, um ein Pulvergemisch mit 2% natürlichem Graphit, 5,5% Kupferpulver, 5% Cu-10% Sn Legierungspulver, 0,15% Fe-20% P Legierungspulver, 0,8% Enstatitpulver und 0,2% Mangansulfidpulver und dem Restanteil reduziertes Eisenpulver herzustellen. Die Gesamtzusammensetzung enthält 2% C, 10% Cu, 0,5% Sn, 0,03% P, Enstatit und Mangansulfid und den Restbetrag Eisen. Zum Vergleich wurde ein Pulvergemisch mit der gleichen Zusammensetzung wie oben, außer dass Enstatit und Mangansulfid nicht zugefügt wurden, hergestellt. Jedem der Pulvergemische wurde 0,75% Zinkstearat zu der Menge des Pulvergemisches zusätzlich beigemischt.

Dann wurden die beiden Arten von Pulvergemischen Verdichtung und Sintern unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterzogen, und die maschinelle Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit der resultierenden Proben untersucht. Als Ergebnis ergaben die Daten der ersten Probe, die Enstatit und Mangansulfid enthält, einen Index der maschinellen Bearbeitbarkeit von 17 und eine Abnutzungsmenge von 35 µm. Im Gegensatz dazu zeigen die Daten der zweiten Probe, dass der Index der maschinellen Bearbeitbarkeit 19 und die Abnutzungsmenge 38 µm beträgt. Die Ergebnisse zeigen an, dass die erste Probe der zweiten sowohl in bezug auf maschinelle Bearbeitbarkeit wie auch Verschleißfestigkeit überlegen ist. In Hinblick auf die metallographische Struktur der beiden Proben weist die erste freies Graphit, Enstatit und Mangansulfid als Schmierstoffe darin verteilt in der Matrixphase auf, wohingegen die zweite nur freies Graphit darin verteilt aufweist, und dieser Unterschied wird als dem Unterschied in ihren Charakteristika zuordbar betrachtet.

Der Werkstoff für Ventilführungen der vorliegenden Erfindung bietet maschinelle Bearbeitbarkeit, bei gleichzeitigem Erhalt einer dem konventionellen Werkstoff ähnlichen Verschleißfestigkeit. Dementsprechend ist die Verwendbarkeit der Erfindung deutlich gesteigert, insbesondere wenn die maschinelle Bearbeitbarkeit des Materials für Ventilführungen, von der Beziehung der Prozessbedingungen für die Herstellung von Motoren, Kompatibilität mit eingesetzten Motoren und Maschinenwerkzeugen und dergleichen her, als besonders wichtig betrachtet wird.

Da eine große Zahl von Ausführungformen der Erfindung existieren, die ohne Abweichung von deren Geist und Umfang ausgeführt werden können, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf deren besondere Ausführungformen beschränkt ist, außer wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Ein Sinterlegierungsmaterial für Ventilführungen, das umfasst
1,5 bis 4 Massen-% Kohlenstoff
1 bis 20 Massen-% Kupfer
0,1 bis 2 Massen-% Zinn
0,01 bis 0,1 Massen-% Phosphor, und
eine Basis aus Eisen;
und eine metallographische Struktur aufweist, die umfasst
eine Perlit umfassende Matrixphase; und
eine freie Kohlenstoffphase, die in der Matrixphase verteilt ist.

2. Das Sinterlegierungsmaterial nach Anspruch 1, wobei die metallographische Struktur eine Kupfer-Zinn- Legierungsphase, die in der Matrix verteilt ist, umfasst.

3. Das Sinterlegierungsmaterial nach Anspruch 2, wobei die metallographische Struktur weiterhin eine Kupferphase, die in der Matrix verteilt ist, umfasst.

4. Das Sinterlegierungsmaterial nach Anspruch 1, wobei die metallographische Struktur eine Steaditphase umfasst, die in der Matrixphase verteilt ist.

5. Das Sinterlegierungsmaterial nach Anspruch 1, wobei der Kupfergehalt in dem Sinterlegierungsmaterial 1 bis 5 Massen-% beträgt.

6. Das Sinterlegierungsmaterial nach Anspruch 1, wobei der Kupfergehalt in dem Sinterlegierungsmaterial 6 bis 20 Massen-% beträgt.

7. Das Sinterlegierungsmaterial nach Anspruch 1, das weiterhin einen Festschmierstoff in einem Gehalt von 4 Massen-% oder weniger in dem Sinterlegierungsmaterial umfasst, wobei der Festschmierstoff eine Komponente umfasst, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Enstatit und Mangansulfid besteht, und wobei die metallographische Struktur weiterhin eine Phase des Festschmierstoffes, der in der Matrixphase verteilt ist, umfasst.

8. Das Sinterlegierungsmaterial nach Anspruch 7, wobei der Gesamtgehalt an Kohlenstoff und Festschmierstoff 4 Massen-% oder weniger in dem Sinterlegierungsmaterial beträgt.

9. Das Sinterlegierungsmaterial nach Anspruch 7, wobei der Festschmierstoff sowohl Enstatit als auch Mangansulfid umfasst, und das Massenverhältnis von Mangansulfid zu Enstatit 20/100 bis 30/100 beträgt.